石墨烯是什么

石墨烯材料介绍：

    石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。并且，石墨烯在自然界也有产出，它体现为高能物理状态下的圈量子的粒子态相。

    石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000.cmm/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约1052·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

    石墨烯电子能带结构以独立碳原子为基，将周围碳原子产生的势作为微扰，非同寻常的导电性能，超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

    石墨烯,作为目前发现的最薄、最强韧、导电导热性最好的新型纳米材料。是一种从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯是一种集导电快、导热快、电阻率小、纤薄、耐高温、坚韧和强稳定性等逆天特性于一身的新型革命性纳米材料的“黑金”、被称为“新材料之王”。科学家甚至预言石墨烯“将彻底改变21世纪”。

石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。

石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。 

同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只猫的重量。

石墨烯独特的物理性质：

　　导电速度快：在室温下，它的导电速度要比其它的物质快许多，比如比硅要快250倍

　　强度坚硬：石墨烯是目前已知强度很高的材料，130GPa，比金刚石还坚硬，硬度比钢铁高100 多倍

　　导热能力超：强石墨烯具有非常好的热传导特性，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达 5300W/m·K，是金刚石的3 倍，铜的10倍

　　强吸附能力：石墨烯具有巨大的比表面积，理论比表面积为2630m2/g，因此具有优异的吸附性能

　　石墨烯具有优异的电子传导性能，其电导率可达106S/m，面电阻仅为30Ω/m2，性能超过已知很好的导体银和铜。作为碳族材料可以替代导电炭黑、碳纳米管等应用于锂电池、导电油墨行业，这也是目前石墨烯产业化应用的方向。

　　导电油墨：目前，导电油墨中使用导电性好的填料是银粉和铜粉，由于金、银等贵金属制成的导电油墨价格昂贵，应用范围受到一定限制。相比之下，碳系导电油墨具有成本低、性能稳定因而具有广泛的应用前景。

　　石墨烯具有很高的导热率和热辐射系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/m·K，不仅优于碳纳米管、石墨导热膜等碳材料，更高于铝、银等金属材料。

石墨烯优势特点：

       1.超坚硬

　　比钻石还硬，抗断裂强度，比优质钢离200倍

　　2.超导电

　　导电性、电阻小均世界第超导电，其电子运动速度是光速的1/300

　　3.最纤薄

　　只有纸的十万分之一厚(0.335纳米），1克重的展开面积可 达2630平方米

　　4.超导热

　　其导热、散热性能十分罕见，比碳纳米管的散热性还高。

　　5.多性能

　　物质的六大性能集于一身，在全球所有材料中极其罕见。

　　6.高弹性

　　石墨烯超硬，但拉深度可达20% , 1平方米网可承受1000公斤压力

石墨烯主要分类

1、单层石墨烯

单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。 

2、双层石墨烯

双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛、AA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 

3、少层石墨烯

少层石墨烯（Few-layer）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

4、多层石墨烯

多层石墨烯又叫厚层石墨烯（multi-layer graphene）：指厚度在10层以上10nm以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛、ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。

石墨烯应用领域

（1）集成电路

石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质：高载流子迁移率以及低噪声。2011年，IBM成功创造了第一个石墨烯为基础的集成电路-宽带无线混频器，电路处理频率高达10 GHz，其性能在高达127℃的温度下不受影响。石墨烯纳米带具有高电导率、高热导率、低噪声的特点，是集成电路互连材料的一种选择，有可能替代铜金属。有些研究者试着用石墨烯纳米带来制成量子点，他们在纳米带的某些特定位置改变宽度，形成量子禁闭（quantum confinement）。石墨烯纳米带的低维结构具有非常重要的光电性能：粒子数反转和宽带光增益。这些优良品质促使石墨烯纳米带放在微腔或纳米腔体中形成激光器和放大器。研究表明可将石墨烯纳米带应用于光通信系统，发展石墨烯纳米带激光器。

（2）石墨烯晶体管

2005年，Geim研究组与Kim研究组发现，室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性（300 K下可达0.3 m），这是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。较大的费米速度和低接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性是石墨烯基电子器件的另一显著优势。在现代技术下，石墨烯纳米线可以证明一般能够取代硅作为半导体。

（3）透明导电电极

石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要 良好的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度、柔韧性以及透光性优于常用材料氧化铟锡。通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达1.71%能量转换效率；与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的55.2%。

（4）导热材料/热界面材料

研究表明，室温下石墨烯的热导率（K）已超越块体石墨（2000 W/m•K）、碳纳米管（3000~3500 W/m•K）和钻石等同素异形体的极限，达到5300 W/m•K，远超银（429 W/m•K）和铜（401 W/m•K）等金属材料。优异的导热和力学性能使石墨烯在热管理领域极具发展潜力，石墨烯基薄膜可作为柔性面向散热体材料，满足LED照明、计算机、卫星电路、激光武器、手持终端设备等高功率、高集成度系统的散热需求。这些研究成果为结构/功能一体化的炭/炭复合材料的设计提供了一个全新视角。

（5）传感器

石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感，即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。这检测目前可以分为直接检测和间接检测。通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程。通过测量霍尔效应的方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时，吸附位置会发生电阻的局域变化。当然，这种效应也会发生于别种物质，但石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质，能够侦测这微小的电阻变化。

（6）超级电容器与锂离子电池

由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例，石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。由于良好的导电性和巨大的比表面积，石墨烯可在锂离子电池中有广泛的应用：可直接作为锂离子电池负极，也可与SnO2、Si等材料复合作为锂离子电池的负极。石墨烯的修饰可有效缩短锂离子电池的充电时间并增加锂离子电池的功率密度。

（7）太阳能电池

作为有机太阳能电池 (OPV电池的重要材料，石墨烯/聚合物片材已被生产，大小范围在150平方厘米。这有可能运行能覆盖广泛的地区的廉价太阳能电池。2010年，首次构建了石墨烯与硅结合的新型太阳能电池。在这种简易的石墨烯/硅模型中，石墨烯不仅可以作为透明导电薄膜，还可以界面处分离光生载流子。这种可以与传统硅材料结合的结构，为推动基于石墨烯的光伏器件开辟了新的研究方向。

（8）石墨烯生物器件

由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺吋厚度、分子闸极结构等等特色，应用于细菌侦测与诊断器件，石墨烯是个很优良的选择。科学家希望能够发展出一种快速且便宜的快速电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。基本而言，他们想要用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞，让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基（A、C、G、T）会对于石墨烯的电导率有不同的影响，只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异，就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。

（9）抗菌物质

中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性，则可能找到一系列新的应用，像自动除去气味的鞋子，或保存食品新鲜的包装。

（10）石墨烯感光元件

新加坡南洋理工大学研发出了一个以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件，可望透过其特殊结构，让感光元件感光能力比起传统CMOS或CCD要好上1,000倍，而且损耗的能源也仅需原本的1/10。与许多新的感光元件技术相同，这项技术初期将率先被应用在监视器与卫星影像领域之中。

（11）海水淡化

研究表明，石墨烯过滤器可能大幅度的胜过其他的海水淡化技术。通过精确控制多孔石墨烯的孔径并向其中添加其他材料的方法，改变石墨烯小孔边缘的性质，使其能够排斥或吸引水分子。这样这种特制的石墨烯就如同筛子一样能快速地滤掉海水中的盐，而只留下水分子。海水淡化工艺的关键是非常精确地控制石墨烯孔洞的大小。

石墨烯新材前景

　　2015年11月30日,工信部、发改委、科技部联合印发《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》。意见指出,要抓住机遇培育壮大石墨烯产业。石墨烯是在光、电、热、力等方面具有优异性能,极具应用潜力、可广泛服务于经济社会发展的新材料。在能源装备、交通运输、航空航天、海工装备等产品上已呈现良好应用前景。到2020年,形成完善的石墨烯产业体系,实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化,形成若千家具有核心竞争力的石墨烯企业。

　　2016年国内石墨烯业整体营收超到40亿元,是2015年石墨烯市场规模的近10倍。随着政策支持力度的加大、资本投入以及宏量制备技术的突破,未来5-10年,多数企业年产能将达到千吨级,少部分大型企业年产能有望达到万吨级。

　　“新材料之王”石墨烯将“彻底改变21世纪”，掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。作为新兴产业，石墨烯未来发展前景一片光明。